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(中北大学 机械工程与自动化学院，山西太原030051)
摘要：为提高伺服系统中无刷直流电机的控制效果，设计了以DSP为核心的无刷直流电机控制系统方案。本控制系统的主要优势在于利用数字信号处理器的高速实时运算处理功能，易于实现各种高效的控制算法，很好地解决了伺服系统中PWM信号的生成、电动机速度反馈和电流反馈等问题。并结合模糊控制算法进行了仿真研究，达到无刷直流电机的高精度伺服控制的目的。
关键词：无刷直流电机；DSP；PWM控制；Simulink仿真
在伺服传动系统中，无刷直流电动机(BLDCM)是一种新型的无级变速电动机，其结构简单可靠、维护方便、运行效率高及惯量小和控制精度高等优点，广泛应用于伺服控制精密数控机床、加工中心、机器人等领域[1]。随着BLDCM应用领域的推广，对系统的动静态性能、鲁棒性、控制精度等要求越来越高。
本文以三相四极无刷直流电动机为研究对象，结合PID控制和模糊控制各自的优势，设计了一套基于TI 公司的C2000系列TMS320F2812 DSP为核心的全数字永磁无刷直流电动机的闭环调速系统，以期满足BLDCM伺服控制系统的高精度、快速性、稳定性和鲁棒性的要求。
1总体方案设计
系统设计采用三相四极无刷直流电动机PWM控制方案，逆变桥的通电方式采用两两导通方式。该系统主要由三相四极无刷直流电动机、控制器、电子开关电路和位置检测器四部分组成[2]。其结构框图如图1所示。
功率驱动方式采用三相Y型全桥驱动电路，如图2所示。本系统实现的关键就是通过位置环、速度环和电流环三闭环结构最终实现位置的伺服控制。从闭环结构上看，位置环在最外面，是本系统的主环，电流调节环和速度调节环在里面，两者都是为位置环而服务，电流调节器和速度调节器采用PI调节器，位置调节器采用PID调节器，以TMS320F2812微控制器为控制核心，以功率MOSFET管构成逆变器。通过改变逆变器开关器件的PWM占空比来改变电机电枢端电压，以实现电机转速的调节[2-4]。
2硬件设计
图3给出了基于TMS320F2812 DSP的无刷直流电机控制系统硬件结构框图。
本系统主要由辅助电源、控制器及外围电路、电动机驱动电路、检测电路和系统保护电路等几部分组成。无刷直流电动机的调速原理为：TMS320F2812控制器通过捕获单元捕捉无刷直流电动机转子位置传感器HALL1、HALL2、HALL3高速脉冲信号，检测转子转动位置，并根据转子的位置发出相应的指令改变PWM信号的当前值，进而改变直流电机驱动电路(三相桥式逆变电路IGBT)中功率管的导通顺序，实现电机转速和转动方向的控制。
下面重点介绍系统中的转子位置检测电路、相电流检测电路、驱动电路、系统保护电路等。
2.1转子位置检测电路
本设计方案中，位置检测环节采用了3个位置间隔120°分布的霍尔传感器，由霍尔器件所输出的转子位置脉冲信号送到功率变换电路后，经处理后送入DSP的CAP单元，DSP通过读取霍尔元件的状态值，来确定转子的当前位置，再通过改变PWM的占空比改变MOSFET管的导通顺序，改变 IGBT 的导通顺序，实现电机的换相和电机转速的调节[5]。
霍尔位置传感器输出的信号先由阻容滤波电路处理，然后再经过六路施密特触发反相器SN74HC14N整形后送入DSP的CAP单元进行处理计算。由于霍尔位置传感器输出为5V电平信号，为了与DSP的3.3V电平相匹配，需要进行电平逻辑转换，在此通过施密特触发器输出端串联匹配电阻的方法来实现。三相霍尔位置检测电路如图4所示。
2.2相电流检测电路
在对电路中电流信号进行检测时，由于霍尔元件输出的电流较小，故采用在直流侧母线中串采样小电阻的方法，先将电流信号转化为电压信号，然后再经过放大隔离处理后送入模数转换器A/D。其中光耦隔离器件选择的是6N137。电流检测电路图如图5所示。
其中R22(0.05Ω/3W)为直流侧母线端的采样电阻，首先将电阻两端的压降信号经过阻容滤波电路滤波，然后经过运算放大器放大，以满足TMS320F2812中A/D转换单元的采样范围(0～3V) 的要求。电路中采用了单路高精度双极性运算放大器OP07。图中的二极管D6起稳压保护作用，确保AD0的输入电压在0～3V的范围内，另外，通过光藕合器6N137将干扰路径切断，减小噪声的干扰。
2.3驱动电路
驱动电路采用IR公司生产的高性能三相桥式逆变器驱动芯片IR2136，它只用一路驱动电源便可同时输出6路驱动信号，且IR2136拥有完善的保护功能，使整个电路更加简单可靠。
由于IR2136芯片本身没有逻辑信号与功率信号之间相互隔离功能，因此本设计中DSP产生的6路PWM脉冲信号经光耦隔离后才作为IR2136的6路脉冲输入，进而控制MOSFET管的导通和关断。通过输出端口HO1、HO2、HO3分别控制三相逆变桥电路的上桥臂T1、T3、T5的导通和关断，通过输出端口LO1、LO2、LO3分别控制三相逆变桥电路的下桥臂T4、T6、T2的导通和关断，从而实现控制电机转速的正反转。图6为由IR2136构成的驱动电路。
2.4系统保护电路
在无刷直流电动机控制系统中，保护电路可以保护控制器DSP免受过压、过流的影响，还可以保护电机的驱动电路免遭破环[6]。整个系统的保护电路由隔离电路和驱动保护两部分组成。
(1)隔离电路的设计
光耦隔离电路的作用是避免主回路中的强电信号对控制回路中的弱电信号造成干扰，实现不同电压之间的信号传输。如图7所示(以一路PWM信号为例)，该隔离电路可实现对DSP的6路PWM输出信号与IR2136之间光耦隔离，并实现驱动和电平转换功能。
(2)功率驱动保护电路的设计
功率驱动保护电路包括自保护电路和过电流过电压保护电路。为保证系统中功率转换电路和电机驱动电路安全可靠工作，DSP还提供PDPINTA输入信号，利用它可方便地实现系统的各种保护功能[6]。各路故障信号经过光耦隔离后送入到PDPINTA引脚，图8给出具体保护电路。例如：当有过压或过流现象时，IR2136的引脚FAULT会输出制动信号，拉低PDPINTA引脚输入电平，此时DSP 内部定时器停止计数，所有的PWM输出引脚全部置为高阻态，同时也产生一个中断信号，通知CPU有异常情况发生，这就是IR2136的硬件保护功能。
3系统与上位机的通讯
系统中用 SCI 接口完成与上位机的通讯功能，采用RS-232接口实现通信。通过上位机可以给定位置量，同时控制过程中电机的速度、电流、位置反馈量等参数，也可以实时地发送给上位机显示；SPI接口完成串行驱动数码管显示的功能。通过数字 I/O 扩展的键盘设定位置给定量，并由数码管显示。
4系统仿真
本文对速度环采用增量式PID控制和参数自整定模糊PID控制两种控制算法，利用北京雅合全公司生产的型号为45ZWN24-25的三相四极无刷直流电动机，对实验结果进行分析。图9、图10分别对应两种算法在电机启动时的转速响应曲线。
分析电机启动时转速启动曲线可知，两种控制算法都有一定的超调。增量式PID控制算法电机启动达到稳态的时间大约为2.8s，超调量为8.27%；而参数自整定模糊PID控制算法电机启动达到稳态的时间大约为2.2s，超调量为4.58%，可见，采用参数自整定模糊PID控制算法之后，有效地降低了超调量，缩短了电机启动的时间，提高了电机的控制精度。
5结束语
本文设计了以TMS320F2812为核心的数字直流伺服系统，很好地解决了高精度伺服控制系统中PWM信号的生成、电机速度反馈及电机电流反馈问题，并实现了保护功能，使系统硬件得到了极大地简化，提高了系统的可靠性。并结合参数自整定模糊PID控制算法实现了电机的高精度伺服控制，实验结果验证了该方法的有效性。
参考文献
[1]郭庆鼎，赵希梅.直流无刷电动机原理与技术应用[M].北京:中国电力出版社，2008:4-7.
[2]何小红.无位置传感器无刷直流电动机控制系统的设计[D].硕士学位论文.陕西:西安科技大学，2009.
[3] Mohan BM，Sinha A. Analytical structure and stability analysis of a fuzzy PID controller. Applied Soft Computing. 2008:749–58.
[4] 白浩.永磁无刷直流电动机控制系统的研究[D].硕士学位论文.天津:河北工业大学，2004.
[5]邓钧君，马瑞卿，王翔.基于软件锁相环的无刷直流电机高精度速度控制系统[J]. 测控技术，20106 :428-434.
[6]夏长亮.无刷直流电动机控制系统[M].北京:科学出版社，2009:31-44，182-203.
作者简介
刘恩涛(1986-)，男，中北大学硕士研究生，研究方向为直流电机伺服控制。
潘宏侠(1950-)，男，教授，博士生导师。主要从事机电系统检测，控制与诊断方面的研究工作。主持完成各类科研项目60多项，主持国家自然科学基金及其子项目4项，国防和部级重点项目4项，国防基金与一般项目10余项。
摘要：为提高伺服系统中无刷直流电机的控制效果，设计了以DSP为核心的无刷直流电机控制系统方案。本控制系统的主要优势在于利用数字信号处理器的高速实时运算处理功能，易于实现各种高效的控制算法，很好地解决了伺服系统中PWM信号的生成、电动机速度反馈和电流反馈等问题。并结合模糊控制算法进行了仿真研究，达到无刷直流电机的高精度伺服控制的目的。
关键词：无刷直流电机；DSP；PWM控制；Simulink仿真
在伺服传动系统中，无刷直流电动机(BLDCM)是一种新型的无级变速电动机，其结构简单可靠、维护方便、运行效率高及惯量小和控制精度高等优点，广泛应用于伺服控制精密数控机床、加工中心、机器人等领域[1]。随着BLDCM应用领域的推广，对系统的动静态性能、鲁棒性、控制精度等要求越来越高。
本文以三相四极无刷直流电动机为研究对象，结合PID控制和模糊控制各自的优势，设计了一套基于TI 公司的C2000系列TMS320F2812 DSP为核心的全数字永磁无刷直流电动机的闭环调速系统，以期满足BLDCM伺服控制系统的高精度、快速性、稳定性和鲁棒性的要求。
1总体方案设计
系统设计采用三相四极无刷直流电动机PWM控制方案，逆变桥的通电方式采用两两导通方式。该系统主要由三相四极无刷直流电动机、控制器、电子开关电路和位置检测器四部分组成[2]。其结构框图如图1所示。
功率驱动方式采用三相Y型全桥驱动电路，如图2所示。本系统实现的关键就是通过位置环、速度环和电流环三闭环结构最终实现位置的伺服控制。从闭环结构上看，位置环在最外面，是本系统的主环，电流调节环和速度调节环在里面，两者都是为位置环而服务，电流调节器和速度调节器采用PI调节器，位置调节器采用PID调节器，以TMS320F2812微控制器为控制核心，以功率MOSFET管构成逆变器。通过改变逆变器开关器件的PWM占空比来改变电机电枢端电压，以实现电机转速的调节[2-4]。
2硬件设计
图3给出了基于TMS320F2812 DSP的无刷直流电机控制系统硬件结构框图。
本系统主要由辅助电源、控制器及外围电路、电动机驱动电路、检测电路和系统保护电路等几部分组成。无刷直流电动机的调速原理为：TMS320F2812控制器通过捕获单元捕捉无刷直流电动机转子位置传感器HALL1、HALL2、HALL3高速脉冲信号，检测转子转动位置，并根据转子的位置发出相应的指令改变PWM信号的当前值，进而改变直流电机驱动电路(三相桥式逆变电路IGBT)中功率管的导通顺序，实现电机转速和转动方向的控制。
下面重点介绍系统中的转子位置检测电路、相电流检测电路、驱动电路、系统保护电路等。
2.1转子位置检测电路
本设计方案中，位置检测环节采用了3个位置间隔120°分布的霍尔传感器，由霍尔器件所输出的转子位置脉冲信号送到功率变换电路后，经处理后送入DSP的CAP单元，DSP通过读取霍尔元件的状态值，来确定转子的当前位置，再通过改变PWM的占空比改变MOSFET管的导通顺序，改变 IGBT 的导通顺序，实现电机的换相和电机转速的调节[5]。
霍尔位置传感器输出的信号先由阻容滤波电路处理，然后再经过六路施密特触发反相器SN74HC14N整形后送入DSP的CAP单元进行处理计算。由于霍尔位置传感器输出为5V电平信号，为了与DSP的3.3V电平相匹配，需要进行电平逻辑转换，在此通过施密特触发器输出端串联匹配电阻的方法来实现。三相霍尔位置检测电路如图4所示。
2.2相电流检测电路
在对电路中电流信号进行检测时，由于霍尔元件输出的电流较小，故采用在直流侧母线中串采样小电阻的方法，先将电流信号转化为电压信号，然后再经过放大隔离处理后送入模数转换器A/D。其中光耦隔离器件选择的是6N137。电流检测电路图如图5所示。
其中R22(0.05Ω/3W)为直流侧母线端的采样电阻，首先将电阻两端的压降信号经过阻容滤波电路滤波，然后经过运算放大器放大，以满足TMS320F2812中A/D转换单元的采样范围(0～3V) 的要求。电路中采用了单路高精度双极性运算放大器OP07。图中的二极管D6起稳压保护作用，确保AD0的输入电压在0～3V的范围内，另外，通过光藕合器6N137将干扰路径切断，减小噪声的干扰。
2.3驱动电路
驱动电路采用IR公司生产的高性能三相桥式逆变器驱动芯片IR2136，它只用一路驱动电源便可同时输出6路驱动信号，且IR2136拥有完善的保护功能，使整个电路更加简单可靠。
由于IR2136芯片本身没有逻辑信号与功率信号之间相互隔离功能，因此本设计中DSP产生的6路PWM脉冲信号经光耦隔离后才作为IR2136的6路脉冲输入，进而控制MOSFET管的导通和关断。通过输出端口HO1、HO2、HO3分别控制三相逆变桥电路的上桥臂T1、T3、T5的导通和关断，通过输出端口LO1、LO2、LO3分别控制三相逆变桥电路的下桥臂T4、T6、T2的导通和关断，从而实现控制电机转速的正反转。图6为由IR2136构成的驱动电路。
2.4系统保护电路
在无刷直流电动机控制系统中，保护电路可以保护控制器DSP免受过压、过流的影响，还可以保护电机的驱动电路免遭破环[6]。整个系统的保护电路由隔离电路和驱动保护两部分组成。
(1)隔离电路的设计
光耦隔离电路的作用是避免主回路中的强电信号对控制回路中的弱电信号造成干扰，实现不同电压之间的信号传输。如图7所示(以一路PWM信号为例)，该隔离电路可实现对DSP的6路PWM输出信号与IR2136之间光耦隔离，并实现驱动和电平转换功能。
(2)功率驱动保护电路的设计
功率驱动保护电路包括自保护电路和过电流过电压保护电路。为保证系统中功率转换电路和电机驱动电路安全可靠工作，DSP还提供PDPINTA输入信号，利用它可方便地实现系统的各种保护功能[6]。各路故障信号经过光耦隔离后送入到PDPINTA引脚，图8给出具体保护电路。例如：当有过压或过流现象时，IR2136的引脚FAULT会输出制动信号，拉低PDPINTA引脚输入电平，此时DSP 内部定时器停止计数，所有的PWM输出引脚全部置为高阻态，同时也产生一个中断信号，通知CPU有异常情况发生，这就是IR2136的硬件保护功能。
3系统与上位机的通讯
系统中用 SCI 接口完成与上位机的通讯功能，采用RS-232接口实现通信。通过上位机可以给定位置量，同时控制过程中电机的速度、电流、位置反馈量等参数，也可以实时地发送给上位机显示；SPI接口完成串行驱动数码管显示的功能。通过数字 I/O 扩展的键盘设定位置给定量，并由数码管显示。
4系统仿真
本文对速度环采用增量式PID控制和参数自整定模糊PID控制两种控制算法，利用北京雅合全公司生产的型号为45ZWN24-25的三相四极无刷直流电动机，对实验结果进行分析。图9、图10分别对应两种算法在电机启动时的转速响应曲线。
分析电机启动时转速启动曲线可知，两种控制算法都有一定的超调。增量式PID控制算法电机启动达到稳态的时间大约为2.8s，超调量为8.27%；而参数自整定模糊PID控制算法电机启动达到稳态的时间大约为2.2s，超调量为4.58%，可见，采用参数自整定模糊PID控制算法之后，有效地降低了超调量，缩短了电机启动的时间，提高了电机的控制精度。
5结束语
本文设计了以TMS320F2812为核心的数字直流伺服系统，很好地解决了高精度伺服控制系统中PWM信号的生成、电机速度反馈及电机电流反馈问题，并实现了保护功能，使系统硬件得到了极大地简化，提高了系统的可靠性。并结合参数自整定模糊PID控制算法实现了电机的高精度伺服控制，实验结果验证了该方法的有效性。
参考文献
[1]郭庆鼎，赵希梅.直流无刷电动机原理与技术应用[M].北京:中国电力出版社，2008:4-7.
[2]何小红.无位置传感器无刷直流电动机控制系统的设计[D].硕士学位论文.陕西:西安科技大学，2009.
[3] Mohan BM，Sinha A. Analytical structure and stability analysis of a fuzzy PID controller. Applied Soft Computing. 2008:749–58.
[4] 白浩.永磁无刷直流电动机控制系统的研究[D].硕士学位论文.天津:河北工业大学，2004.
[5]邓钧君，马瑞卿，王翔.基于软件锁相环的无刷直流电机高精度速度控制系统[J]. 测控技术，20106 :428-434.
[6]夏长亮.无刷直流电动机控制系统[M].北京:科学出版社，2009:31-44，182-203.
作者简介
刘恩涛(1986-)，男，中北大学硕士研究生，研究方向为直流电机伺服控制。
潘宏侠(1950-)，男，教授，博士生导师。主要从事机电系统检测，控制与诊断方面的研究工作。主持完成各类科研项目60多项，主持国家自然科学基金及其子项目4项，国防和部级重点项目4项，国防基金与一般项目10余项。